輻照度測(cè)量與評(píng)估介紹（光伏電站）2021/5/9目錄2太陽(yáng)輻射簡(jiǎn)介光伏領(lǐng)域的輻照度測(cè)量余弦響應(yīng)輻照度監(jiān)控的意義兆瓦級(jí)光伏電站運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控光伏電站環(huán)境監(jiān)控的意義2021/5/923太陽(yáng)輻射簡(jiǎn)介地球主要的能量源于太陽(yáng)，它直接或者間接地保障了地球上生命的存在和繁衍。太陽(yáng)由71%的氫、27%的氦和2%的其他物質(zhì)構(gòu)成。太陽(yáng)中心的溫度高達(dá)1600萬(wàn)度，其中心的核反應(yīng)范圍占了總直徑的四分之一，太陽(yáng)輻射的能量達(dá)到了3.72*1020兆瓦。地球在日地平均距離處，與太陽(yáng)光垂直的大氣上界單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所接收的太陽(yáng)輻射的總能量約為1367W/m2，該數(shù)值被稱(chēng)為“太陽(yáng)常數(shù)”。無(wú)論太陽(yáng)處于活動(dòng)周期（約11年為1個(gè)周期）的何種階段，其產(chǎn)生的能量變化不會(huì)超過(guò)0.1%。60MW/m2~1.37kW/m2太陽(yáng)表面類(lèi)似于一個(gè)5800K的黑體，輻射出射度約為60MW/m2地球大氣層外的接受到的輻射照度約為1.37kW/m22021/5/93太陽(yáng)輻射簡(jiǎn)介太陽(yáng)輻射在穿過(guò)大氣層時(shí)一部分為大氣的氣體組分、水汽、云等反射、散射和吸收。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射一部分部分被反射，但大部分被吸收和加熱地球表面的陸地和海洋。地表和大氣吸收的部分能量有再次以遠(yuǎn)紅外形式輻射出去。2021/5/94太陽(yáng)輻射簡(jiǎn)介來(lái)自于太陽(yáng)和天空，到達(dá)地球表面的輻射分為短波輻射（波長(zhǎng)范圍：280～4000nm，即4μm）和長(zhǎng)波輻射（波長(zhǎng)范圍：

4.0～40μm，即遠(yuǎn)紅外線(xiàn)）。其中短波輻射包括紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)。到達(dá)地面的短波輻射部分，主要受大氣中云層、顆粒物，污染物還有航跡云的影響。在晴朗天氣的正午，短波輻射的范圍基本上處在1000-1300W/m2，其變化主要取決于所在地區(qū)的經(jīng)度、緯度和時(shí)節(jié)。備注：在氣象學(xué)上，我們廣義定義達(dá)到地球表面輻射的遠(yuǎn)近紅外波段的臨界點(diǎn)為4000nm，而不是通常我們光伏組件測(cè)量領(lǐng)域所說(shuō)的1100nm。2021/5/95太陽(yáng)輻射簡(jiǎn)介在新能源領(lǐng)域，無(wú)論是光伏，還是光熱系統(tǒng)，精確與可靠的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)變得越來(lái)越重要，成為研究開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量控制、確定最佳定位、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效率和各種天空條件下太陽(yáng)能發(fā)電量預(yù)報(bào)等活動(dòng)科學(xué)決策的依據(jù)，提供了堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)信息。有諸多顯示太陽(yáng)能發(fā)電潛力分布地圖，上圖是歐洲地區(qū)前景圖。2021/5/96光伏領(lǐng)域的輻照度測(cè)量對(duì)于科學(xué)研究和投資來(lái)說(shuō)，能量分布地圖和衛(wèi)星所提供的分辨率和精確度都不夠高。由于各地的微氣候存在差異，僅相隔數(shù)百公里的兩個(gè)地方，其年太陽(yáng)能日照時(shí)數(shù)就可能相差幾百個(gè)小時(shí)。在特定地區(qū)進(jìn)行一整年的連續(xù)測(cè)量，才能獲得真正有利用價(jià)值的當(dāng)?shù)靥?yáng)能能量數(shù)據(jù)。不同光伏發(fā)電技術(shù)間的效率差別是比較小的，所以對(duì)于有意義的太陽(yáng)輻射性?xún)r(jià)比來(lái)說(shuō)，精確測(cè)量顯得非常有必要。太陽(yáng)輻射測(cè)量的誤差會(huì)對(duì)投資造成巨大的影響。高質(zhì)量的太陽(yáng)輻射測(cè)量數(shù)據(jù)可以最優(yōu)化系統(tǒng)安裝的位置和和選擇的太陽(yáng)能系統(tǒng)類(lèi)型。下面簡(jiǎn)單介紹光伏領(lǐng)域常見(jiàn)的輻射類(lèi)型：總輻射直接輻射漫散射輻射類(lèi)型介紹備注：針對(duì)光伏領(lǐng)域的輻照度測(cè)量，所指的測(cè)量波段范圍默認(rèn)為280～4000nm.2021/5/97光伏領(lǐng)域的輻照度測(cè)量總輻射度：GW/m2直接輻射度：SW/m2漫散輻射度：HW/m2太陽(yáng)輻射是利用具有水平光譜反應(yīng)的熱電堆型輻射表進(jìn)行測(cè)量的。儀器的類(lèi)型、性能、校準(zhǔn)方法在WMO（世界氣象組織）和ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織）都有明確規(guī)定。這些儀器能夠精確測(cè)量各種天空條件下可獲得的太陽(yáng)總輻射能量、直接輻射能量、漫散射能量。2021/5/98光伏領(lǐng)域的輻照度測(cè)量輻照度表的光譜響應(yīng)光伏晶體硅組件基本上僅對(duì)光譜的紅外線(xiàn)部分和可見(jiàn)光部分具有高敏感度，即400-1100nm，略過(guò)可見(jiàn)光有一個(gè)峰值；其對(duì)紫外線(xiàn)具有微弱的敏感度，對(duì)長(zhǎng)波輻射不具敏感度。上圖為Kipp&ZonenCMP系列的輻射表的光譜響應(yīng)響應(yīng)曲線(xiàn)（響應(yīng)測(cè)試范圍為：285-2800nm）,其測(cè)試范圍內(nèi)的總能量占到整個(gè)短波能量（280-4000nm）的98.9%，而且在這個(gè)測(cè)試區(qū)域內(nèi)，其光譜響應(yīng)系數(shù)為恒值，所以針對(duì)短波輻射強(qiáng)度測(cè)量具有很高的準(zhǔn)確度。其能夠精確測(cè)量各種天空條件下可獲得的太陽(yáng)總能量。通過(guò)與其他氣象站和衛(wèi)星所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為不同地區(qū)、不同類(lèi)型的太陽(yáng)能源系統(tǒng)提供重要的觀測(cè)數(shù)據(jù)。2021/5/99光伏領(lǐng)域的輻照度測(cè)量已建發(fā)電系統(tǒng)需要什么測(cè)量設(shè)備PV板視野寬，朝向接受盡可能多的太陽(yáng)輻射方向安裝。根據(jù)安裝地點(diǎn)和成本預(yù)算狀況，可選某固定角度安裝，也可使用單軸或雙軸追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)能隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。光伏組件的性能大多是通過(guò)商用太陽(yáng)能模擬器測(cè)定的，在指定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下所模擬，會(huì)嚴(yán)重高估其性能。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中由于條件欠佳，其實(shí)際的工作性能也會(huì)降低。無(wú)論環(huán)境狀態(tài)如何，日射強(qiáng)度計(jì)都會(huì)對(duì)有效太陽(yáng)輻射給出精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，除了水平放置（與當(dāng)?shù)氐暮Ｆ矫嫫叫校┑腃MP系列總輻射表作為參考目的以外，我們還建議您同時(shí)安裝測(cè)量太陽(yáng)能板或其陣列半球面的輻射值，有時(shí)稱(chēng)為“斜面總輻射”。該總輻射表通常與逆變器控制系統(tǒng)配合使用，進(jìn)行效率監(jiān)測(cè)和確定維護(hù)周期等工作，如清洗工作的周期，安裝實(shí)際效果圖如下：2021/5/910光伏領(lǐng)域的輻照度測(cè)量太陽(yáng)能研究預(yù)或前期評(píng)估需要怎么做如前所述，WMO/ISO型總輻射表和地面長(zhǎng)波輻射表的數(shù)據(jù)可在全世界范圍內(nèi)與來(lái)自于氣象站網(wǎng)、衛(wèi)星、太陽(yáng)輻射預(yù)測(cè)算法的數(shù)據(jù)直接比較。他們?cè)诩夹g(shù)上各自獨(dú)立，可單獨(dú)用于任何類(lèi)型的太陽(yáng)能熱發(fā)電或者光伏發(fā)電系統(tǒng)，因此是理想的太陽(yáng)能研究和站點(diǎn)前期評(píng)估的解決方案。然而下一步即是擴(kuò)展為一套完整的太陽(yáng)能監(jiān)測(cè)站，其由Kippzonen公司生產(chǎn)的SOLYS2或者2AP太陽(yáng)追蹤器上裝配CMP系列總輻射表（測(cè)量當(dāng)?shù)睾Ｆ矫娴目傒椛洌HP1直接輻射表（測(cè)直接輻射）、帶遮擋的CMP總輻射表（測(cè)量天空散射輻射）組成，詳見(jiàn)右下圖：對(duì)于具有雙軸跟蹤系統(tǒng)的光伏發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)還可以配一個(gè)斜面CMP總輻射表，以測(cè)量垂直入射到光伏陣列上太陽(yáng)總輻射，見(jiàn)左圖2021/5/911余弦響應(yīng)探測(cè)器對(duì)光以不同的方向入射的響應(yīng)叫做光的斜入射響應(yīng)或余弦響應(yīng)。具體地說(shuō)，當(dāng)光線(xiàn)以?xún)A斜方向照射探測(cè)器時(shí)，光電流輸出應(yīng)當(dāng)符合余弦法則，即這時(shí)的照度應(yīng)等于光線(xiàn)垂直入射時(shí)的法線(xiàn)照度與入射角余弦的乘積。但是，由于探測(cè)器表面的反射作用以及固定探測(cè)器部件的遮擋，在光線(xiàn)入射角大時(shí)，會(huì)反射和遮擋掉一部分光線(xiàn)，從而使光電流小于上面所說(shuō)的正確值。為了修正這一誤差，通常外加一個(gè)用均勻漫射材料制成的余弦校正器。探測(cè)器定義探測(cè)能量吸收平面對(duì)于理想的探測(cè)器，如左圖所示，入射光線(xiàn)會(huì)遵循純余弦響應(yīng)；即當(dāng)一束入射光線(xiàn)E與探測(cè)面成θi夾角入射，能被探測(cè)器吸收的能量為E*cos(θi).但往往由于相關(guān)部件的遮擋影響，隨著入射角θi的增大，被探測(cè)器吸收的能量會(huì)小于E*cos(θi)，可以表示為E*cos(θi)*k(θi);k(θi)小于1，與入射角和余弦校正器有關(guān)。理想狀態(tài)下，k(θi)為一恒值，1。E2021/5/912余弦響應(yīng)輻照度探測(cè)器介紹輻照度探測(cè)器按照功能性原理來(lái)分，可以分為以下四類(lèi)：熱電堆式探測(cè)器（Pyranometer、Pyrheliometer、Pyrgeometer）光聲探測(cè)器光電探測(cè)器光電發(fā)射型（StandardcrystallinesiliconPVcell）半導(dǎo)體型（UVradiationmeter、Spectrometer）光化學(xué)探測(cè)器2021/5/913余弦校正因子k余弦響應(yīng)Typicalempiricalrelationshipillustratingtheinfluenceofsolarangle-of-incidenceinreducingamodule’sshort-circuit-current.ResultsweremeasuredatSandiaNationalLaboratoriesforfourdifferentmodulemanufacturers.Theeffectisdominatedbythereflectancecharacteristicsoftheglasssurface.CorrectionkVsIncidentangleofPyranometerCorrectionkVsIncidentangleofcrystallinesiliconcell2021/5/914余弦響應(yīng)晶體硅余弦校正因子k由上圖可知，隨著入射角的增大，k緩緩下降；當(dāng)入射角達(dá)到80度時(shí)，熱電堆式的總輻照度表的k僅下降到0.97，而晶體硅電池片卻下降到了0.65.研究表明，晶體硅的余弦校正因子k與封裝結(jié)構(gòu)（電池片自身的本征結(jié)構(gòu)、電池片的爬電間隙-距離邊框、玻璃、EVA、背板）都有密切關(guān)系。k()=ISC()/(cos().ISC(0°)),引用IEC61853-2kVsIncidentangle(不同封裝玻璃)PVEL評(píng)估光伏組件k()的數(shù)據(jù)列表備注：現(xiàn)在越來(lái)越多的客戶(hù)關(guān)心光伏組件的余弦校正因子k，也就是目前行業(yè)內(nèi)備受關(guān)注的IAM值。2021/5/915輻照度監(jiān)控的意義固定傾斜面上的發(fā)電量評(píng)估在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，固定式系統(tǒng)，為了取得全年更大的發(fā)電量和電池組件的自潔考慮，一般將太陽(yáng)能電池組件以一定的角度傾斜安裝。這樣就需要將水平面上的輻射量轉(zhuǎn)換為斜面上的輻射量。目前水平面的輻射量轉(zhuǎn)換為斜面上的輻射量，可采用人工計(jì)算分析，但該方法較復(fù)雜，通常采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析，如RETScreen、PVSYST。太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)的來(lái)源有來(lái)自衛(wèi)星掃描數(shù)據(jù)，或從氣象局取得的實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)。目前衛(wèi)星掃描數(shù)據(jù)一般利用美國(guó)宇航局NASA數(shù)據(jù)庫(kù)提供的太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)。通過(guò)輸入不同地理位置經(jīng)緯度坐標(biāo)，得到22年平均的太陽(yáng)能月平均日輻射值（kwh/m2/d），衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋范圍較大，記錄時(shí)間較長(zhǎng)，能夠獲得十年以上衛(wèi)星掃描數(shù)據(jù)，但精度較低，有效范圍約幾百平方公里。實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)能夠根據(jù)實(shí)際地點(diǎn)定位測(cè)量太陽(yáng)能資源，有效范圍及數(shù)據(jù)較衛(wèi)星數(shù)據(jù)要好，從氣象局獲得的太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)，一般包括水平面的總輻射量、直接輻射量和散射輻射量。而從衛(wèi)星掃描得到的太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)僅為水平面上的總輻射量。在水平面上的輻射量轉(zhuǎn)換為斜面上的輻射量的數(shù)學(xué)模型中，散射輻射量是不可缺少的一部分。2021/5/916輻照度監(jiān)控的意義將歷年的平均每月的總輻照及散射輻照量輸入PVSYST的換算評(píng)估模型中，即可得到斜面上的輻射量，預(yù)作電站發(fā)電量的評(píng)估！2021/5/917組件在IEC61853下的性能評(píng)估輻照度監(jiān)控的意義太陽(yáng)入射角對(duì)光伏組件的性能影響主要分為兩個(gè)部分：光電轉(zhuǎn)換遵循余弦響應(yīng)；當(dāng)入射光非垂直入射時(shí)，會(huì)帶來(lái)反射損失,影響原理圖，見(jiàn)上。2021/5/918輻照度監(jiān)控的意義AOIModuleAModuleB0111010.9972010.9923010.9814010.9685010.94600.990.895700.940.806800.810.539000Weightingaverage0.8740.811地點(diǎn)：北京裝機(jī)量：兩個(gè)10MW電站年發(fā)電量（MWh）ModuleA15901 ModuleB14127 每年差44萬(wàn)人民幣組件τ(θ)是目前電站端關(guān)注的焦點(diǎn)，他直接影響組件的產(chǎn)出增益θ2021/5/919輻照度監(jiān)控的意義如何測(cè)量τ(θ)由上式可知，需要得到組件的τ(θ)，Isc（θ）的測(cè)量是關(guān)鍵，而根據(jù)IEC618653-2，組件的Isc（θ）滿(mǎn)足下式：ISC(θ)=ISC-measured(θ)*(1-Gdiff/Gtpoa)（1）Gdiff=Gtpoa–Gdni.cos(θ)（2）Gtpoa是組件測(cè)試平面上的總輻照度，它由安裝于組件平面內(nèi)的總輻射度表測(cè)量得到Gdni是利用直接日射表測(cè)量得到的太陽(yáng)直接輻照度。是關(guān)于組件平面法線(xiàn)與直射光夾角。GdniGtpoa2021/5/920PR評(píng)估輻照度監(jiān)控的意義概念PR是英文名詞“PerformanceRatio”首字母縮略詞，中文譯為“性能比”，是評(píng)價(jià)光伏電站系統(tǒng)性能的指標(biāo)之一，代表“綜合發(fā)電效率”，用百分比表示。這一指標(biāo)涵蓋了所有對(duì)發(fā)電量的影響因素：光伏組件的匹配損失、組件衰降、溫升損失、部件效率、灰塵遮擋綜合影響；而且排除了地區(qū)和太陽(yáng)能資源差異的影響。能夠客觀地反映光伏系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)《IEC61724》和等同中國(guó)國(guó)標(biāo)《GB20513-2006》等標(biāo)準(zhǔn)中均有介紹。光伏電站性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：性能比PR：PR=Yf/Yr=(E/P0)/(H/G)=E/(PH×P0)2021/5/921輻照度監(jiān)控的意義性能比=滿(mǎn)功率發(fā)電小時(shí)數(shù)/峰值日照時(shí)數(shù)=實(shí)際交流發(fā)電量/理想狀態(tài)直流發(fā)電量1、是發(fā)電量和資源量的比值，因此所反映的因素包括：系統(tǒng)的電器效率（組件串并聯(lián)損失、逆變器效率、變壓器效率、其它設(shè)備效率、溫升損失、線(xiàn)路損失等）、組件衰降、遮擋情況、光反射損失、MPPT誤差、測(cè)量誤差、故障情況和運(yùn)行維護(hù)水平。因此“性能比”等同于“綜合發(fā)電效率”；2、這個(gè)指標(biāo)排除了地域和資源差異，比較客觀地反映了光伏系統(tǒng)自身的性能和質(zhì)量；3、還沒(méi)有排除溫度差異和光譜偏離的差異，也沒(méi)有將占地因素考慮進(jìn)去。峰值小時(shí)PH的獲取2021/5/922輻照度監(jiān)控的意義PR的發(fā)展在80年代末期，PR一般在50%～75%之間；在90年代，PR一般在70%～80%之間；2000年以后到現(xiàn)在，PR一般都大于80%。2021/5/923PR的計(jì)算及測(cè)量輻照度監(jiān)控的意義針對(duì)光伏電站的PR統(tǒng)計(jì)計(jì)算，一般需要測(cè)量及統(tǒng)計(jì)以下兩個(gè)量：（1）某一時(shí)間段的發(fā)電量；（2）某一時(shí)間段方陣面上的總輻射量。前者是電費(fèi)結(jié)算的依據(jù)；后者通常有2種測(cè)量方式。而針對(duì)方陣面上的總輻射量，目前主要由兩種方法：（1）利用方陣面上的總輻射表測(cè)量。（2）利用標(biāo)定的太陽(yáng)能電池板測(cè)量。前者：不能采用普通的總輻射儀器，要用達(dá)到3%的準(zhǔn)確度，需要采用[二等標(biāo)準(zhǔn)]等級(jí)。后者：要注意硅電池對(duì)光譜吸收的選擇性以及相對(duì)透射率的影響。ISO9060分級(jí)SecondaryStandard響應(yīng)時(shí)間95%(sec)5零點(diǎn)設(shè)置-熱輻射(200W/m2)+7W/m2-溫度改變(5K/hr)±2W/m2不穩(wěn)定性(改變量/年)±0.5%非線(xiàn)性(at1000W/m2)±0.2%指向性響應(yīng)(at1000W/m2)±10W/m2溫度響應(yīng)(forband)<±1%傾斜度響應(yīng)(at1000W/m2)<±0.2%靈敏度(mV/kW/m2)7～14阻抗(Ω)Approx.100工作溫度，°C-40to+80波長(zhǎng)范圍(信號(hào)超過(guò)50%)285to2800nm目前市場(chǎng)上總輻射表準(zhǔn)確度能達(dá)到如上要求的，主要為如下三家：荷蘭的Kippzonen、日本的EKO、美國(guó)的Abely。其中,屬Kippzonen的熱穩(wěn)定性及線(xiàn)性度較好。2021/5/924輻照度監(jiān)控的意義灰塵因子的監(jiān)控影響因子修正系數(shù)逆變器效率0.97變壓器效率0.97灰塵或雪遮擋0.95溫升0.95交直流傳輸0.98弱光損失0.95組件匹配性損失0.98總計(jì)0.75嚴(yán)重時(shí)，灰塵或雪遮擋嚴(yán)重時(shí)，功率損失可以達(dá)到20%左右（此時(shí)的修正系數(shù)大約下降至0.8）。PR損失環(huán)節(jié)2021/5/925輻照度監(jiān)控的意義通過(guò)總輻射度、漫散